在第二次青藏高原綜合科學(xué)考察中，由中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研制的浮空艇創(chuàng)造了多項(xiàng)科考紀(jì)錄，吸引了公眾的視線——“極目一號(hào)”Ⅲ型浮空艇平臺(tái)搭載眾多科考儀器及設(shè)備，分別于5月15日4時(shí)40分、5月21日5時(shí)09分，升空高度兩次超過世界最高峰珠穆朗瑪峰，分別到達(dá)海拔9032米、海拔9050米，打破同類型浮空器的升空觀測(cè)高度世界紀(jì)錄，獲得了珠峰地區(qū)大氣水汽傳輸和溫室氣體垂直變化過程關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)。“極目一號(hào)”Ⅲ型浮空艇體積巨大，從外表看來形似“大白鯨”。如此大型的科學(xué)考驗(yàn)研究平臺(tái)，科研人員是如何科學(xué)馴“鯨”的？浮空艇平臺(tái)包含哪些先進(jìn)技術(shù)？可以應(yīng)用在哪些方面呢？
古老航空器 迎來新發(fā)展
(資料圖)
在科研人員眼中，“浮空艇”有一個(gè)更為嚴(yán)謹(jǐn)專業(yè)的名字——系留氣球。按照特性及大類區(qū)分，系留氣球?qū)儆诟】掌鞯囊环N。對(duì)公眾而言，浮空器可能是一個(gè)既熟悉又陌生的詞語(yǔ)——其實(shí)，內(nèi)部充入氫氣或氦氣的氣球就是一種浮空器，但科學(xué)上應(yīng)用的浮空器卻不是這么簡(jiǎn)單。
浮空器是指內(nèi)部充入（含有）的氣體比重低于空氣的航空器，其升空原理是依靠輕于空氣的氣體浮力產(chǎn)生的靜升力克服自身重力升空。總體上，浮空器可分為氣球和飛艇兩類。氣球是指無動(dòng)力裝置的浮空器，可分為自由氣球和系留氣球。自由氣球隨風(fēng)飛翔，系留氣球利用纜繩系留固定在地面錨泊設(shè)施上。飛艇是自帶動(dòng)力裝置，可進(jìn)行操縱飛行的浮空器，按浮空高度可分為中低空飛艇和平流層飛艇。在青藏高原創(chuàng)造觀測(cè)高度世界紀(jì)錄的“極目一號(hào)”Ⅲ型浮空艇平臺(tái)屬于一種大型的系留氣球平臺(tái)系統(tǒng)。
浮空器是一種古老的航空器，是人類想要翱翔天空、征服藍(lán)天最早使用的航空器。氣球、飛艇出現(xiàn)的時(shí)間比飛機(jī)要早很多，隨著飛機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，浮空器因?yàn)榧夹g(shù)因素和時(shí)代因素等種種原因，一度逐漸消失在了大眾的視野里。
但浮空器具有大載重、駐空時(shí)間長(zhǎng)、易于布置、控制和操作成本低等明顯優(yōu)勢(shì)，是其他航空器所不具備或不可比擬的。因此，部分科學(xué)家一直在潛心研究、積累技術(shù)，等待它的再次蝶變。
隨著時(shí)代進(jìn)步，浮空器相關(guān)領(lǐng)域的各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展，賦予了浮空器新的活力，對(duì)浮空器的研究又進(jìn)入了新時(shí)代發(fā)展的“快車道”。可以說，此次“極目一號(hào)”Ⅲ型浮空艇創(chuàng)造系留浮空器的升空觀測(cè)高度世界紀(jì)錄，是浮空器事業(yè)發(fā)展的又一里程碑。
新型浮空艇上的硬核科技
“極目一號(hào)”Ⅲ型浮空艇給人的第一印象就是大。如此大的系統(tǒng)，要如何保證它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)？背后蘊(yùn)藏著哪些先進(jìn)技術(shù)和智慧結(jié)晶？海拔9000米高度處于對(duì)流層上部，高風(fēng)速、低溫、低氣壓、復(fù)雜電磁場(chǎng)的極端環(huán)境條件，對(duì)浮空艇全系統(tǒng)的升空科學(xué)觀測(cè)提出了巨大的挑戰(zhàn)，科研人員如何一一克服？
解決這些問題，科學(xué)家和工程師們有高招。
將“極目一號(hào)”Ⅲ型浮空艇（系留氣球）系統(tǒng)按功能區(qū)分，可以分為球體分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)、地面錨泊分系統(tǒng)以及載荷分系統(tǒng)。五個(gè)分系統(tǒng)緊密協(xié)作，共同保障浮空艇的升空科考觀測(cè)的正常運(yùn)行。
球體分系統(tǒng)，就是我們說的“大白鯨”。浮空艇形似“大白鯨”，“大”是指此次浮空艇的巨大尺寸——55米長(zhǎng)，體積為9060立方米。這么巨大的體型是經(jīng)過精密計(jì)算得出的優(yōu)化尺寸，為了將既定的多種大質(zhì)量載荷從地面攜帶至海拔9000米的對(duì)流層上部。
“白”是指浮空艇整體外形呈現(xiàn)白色。白色可以反射光線、減少紫外線的吸收，使浮空艇內(nèi)部氣體升溫不會(huì)過快。此外，浮空艇的囊體材料隱藏著眾多“黑科技”，它是一種由我國(guó)自主研發(fā)的輕質(zhì)低密度低滲高強(qiáng)抗輻射復(fù)合織物材料，復(fù)合織物材料可以對(duì)整個(gè)浮空艇進(jìn)行有效保護(hù)與支撐，阻擋外部雨雪風(fēng)沙的同時(shí)，也可減少內(nèi)部氣體泄漏，極大地增加了浮空艇的使用壽命與復(fù)用次數(shù)。
“鯨”是指浮空艇的外形。設(shè)計(jì)人員參考鯨魚生物外形采用了仿生學(xué)設(shè)計(jì)，整體呈流線型，這樣做的目的是尋求一個(gè)小風(fēng)阻和高穩(wěn)定性二者平衡的氣動(dòng)外形，在浮空艇升空過程中減小空氣阻力的擾動(dòng)與影響。此外，和鯨魚用肺呼吸相似，浮空艇內(nèi)部由兩個(gè)氣囊組成，分別填充氦氣與空氣，氦氣囊負(fù)責(zé)提供升力，而空氣囊則起著“肺”的作用，在浮空艇的升降過程中保持浮空艇的外形與壓力平衡。在浮空艇升空過程時(shí)，環(huán)境壓力和溫度都在不斷降低，需要通過風(fēng)機(jī)閥門等元器件調(diào)節(jié)空氣囊，進(jìn)行頻繁的排氣，浮空艇的降落則是此過程的逆過程，會(huì)對(duì)空氣囊進(jìn)行頻繁的打氣，升降過程恰似肺在不停呼出與吸入的過程。
測(cè)控分系統(tǒng)，是“大白鯨”的“千里眼”“順風(fēng)耳”。獲取浮空艇的實(shí)時(shí)狀態(tài)與信息，控制整個(gè)浮空艇系統(tǒng)完成科學(xué)觀測(cè)，需要用到相關(guān)的測(cè)控設(shè)備，以實(shí)時(shí)獲取不同高度剖面的風(fēng)速、氣溫、濕度等環(huán)境信息，獲取浮空艇的升空高度、升速、壓力、俯仰角、系纜拉力等關(guān)鍵信息，讓研究人員可以實(shí)時(shí)判斷浮空艇的正常狀態(tài)，輔助地面指揮決策。
供配電分系統(tǒng)，是“大白鯨”的“定海神針”。浮空艇上載有能源艙，里面包含了可耐低溫低氣壓的高壓鋰電池組、能源管理器及配電器等設(shè)備，負(fù)責(zé)為整個(gè)浮空艇系統(tǒng)提供能源支持，同時(shí)滿足不同設(shè)備、儀器、傳感器的不同功率/電壓要求，可實(shí)現(xiàn)升空觀測(cè)鋰電池組供電、地面錨泊時(shí)地面高壓供電的雙模式供電無縫切換，能源供給也如同定海神針一般，持續(xù)支持著整個(gè)浮空艇系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。
地面錨泊分系統(tǒng)，是“大白鯨”的“五指山”。地面錨泊分系統(tǒng)主要由特種錨泊車及特種系纜組成。錨泊車通過鼻塔及兩個(gè)側(cè)臂對(duì)浮空艇完成三點(diǎn)約束，使浮空艇可以在地面停泊。特種系纜一側(cè)連接艇體主承力結(jié)構(gòu)件，纜的另一側(cè)連接至地面特種錨泊車輛容纜滾筒，特種系纜除了承力作用，內(nèi)部還布置有細(xì)電纜，用于將浮空艇升空過程中靜電接地釋放，保衛(wèi)系統(tǒng)安全。此外，還可根據(jù)需要，在系纜中布置光纖，通過光纖傳輸實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)。對(duì)地面錨泊車進(jìn)行操作，完成系纜的收放，即可實(shí)現(xiàn)浮空艇的升空及下降過程。浮空艇在地面錨泊時(shí)，浮空艇及錨泊車輛上的平臺(tái)可以隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)，使浮空艇的艇首及錨泊車鼻塔總是處于迎風(fēng)的小風(fēng)阻狀態(tài)。
載荷分系統(tǒng)，是“大白鯨”上的“多面手”。浮空艇平臺(tái)系統(tǒng)本身對(duì)載荷并無限制，可以搭載各種類型的載荷設(shè)備。在本次珠峰科考中，浮空艇搭載水汽穩(wěn)定同位素分析儀、黑碳、甲烷、臭氧等多種分析儀器與設(shè)備，獲取了第一手珠峰地區(qū)大氣水汽傳輸和溫室氣體垂直變化過程關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)。
浮空艇“家族”能滿足科學(xué)觀測(cè)的不同需求
不僅在珠峰，浮空艇家族活躍在很多科研項(xiàng)目中：由中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院（以下簡(jiǎn)稱“空天院”）浮空器團(tuán)隊(duì)研發(fā)的系留氣球（浮空艇）曾在可可西里西區(qū)觀測(cè)藏羚羊等野生動(dòng)物活動(dòng)；曾在內(nèi)蒙古地區(qū)開展草畜資源狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為草畜平衡模型構(gòu)建，創(chuàng)建生態(tài)草牧業(yè)科技體系提供平臺(tái)支持；曾在東海海域開展“智慧海洋”應(yīng)急通信試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目船載系統(tǒng)的綜合集成演示驗(yàn)證等，都取得了良好的效果。
浮空艇作為理想的科學(xué)觀測(cè)平臺(tái)，擁有眾多優(yōu)點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用潛力?？仗煸焊】掌鲌F(tuán)隊(duì)深耕系留氣球（浮空艇）領(lǐng)域數(shù)十年，發(fā)展至今，形成了從小到大全規(guī)格、系列化、矩陣式的系留氣球產(chǎn)品。
首先，系留氣球根據(jù)實(shí)際需要，升空高度可從幾十米到數(shù)公里，覆蓋范圍非常廣泛，且在升降過程中，可以實(shí)時(shí)采集獲取不同高度剖面的數(shù)據(jù)。
其次，可攜帶較大總質(zhì)量載荷（從幾十千克至噸級(jí)載荷），在目標(biāo)高度實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間駐留（在氣象及空域允許的情況下，可實(shí)現(xiàn)以天乃至月計(jì)的駐留觀測(cè)），抗風(fēng)能力強(qiáng)，對(duì)雨雪天氣敏感度小，對(duì)載荷限制極小，是絕佳的大載重長(zhǎng)駐空的觀測(cè)科考及應(yīng)用平臺(tái)。
再次，系留氣球可以實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量，無污染，一次充氣后可實(shí)現(xiàn)循環(huán)復(fù)用，效費(fèi)比（效果和費(fèi)用的比值）高，地面配套及控制需要人數(shù)少，具有綠色、經(jīng)濟(jì)、可復(fù)用、易于維護(hù)操作的優(yōu)點(diǎn)，是綠色經(jīng)濟(jì)的無人長(zhǎng)時(shí)駐空平臺(tái)。
應(yīng)該說，系留氣球是一個(gè)基礎(chǔ)的平臺(tái)服務(wù)，它能發(fā)揮多大的作用，更取決于載荷的功能應(yīng)用和平臺(tái)-載荷的配合能力，空天院自研的系留氣球平臺(tái)，搭載不同載荷，已成功應(yīng)用在了科學(xué)觀測(cè)、應(yīng)急通信、草原生態(tài)與畜牧平衡觀測(cè)、海洋中繼通信、對(duì)地觀測(cè)及低空防務(wù)等典型場(chǎng)景中。
如今，空天院團(tuán)隊(duì)研制的系留氣球平臺(tái)，從在通用性設(shè)計(jì)上對(duì)應(yīng)用地理區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，已在城市、平原、高原、草原、沙漠、海洋、島礁等多種典型地理區(qū)域開展過科學(xué)試驗(yàn)與示范應(yīng)用，取得了突出的試驗(yàn)成果與亮眼的科考成績(jī)?cè)趯?duì)地觀測(cè)、氣象探測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、防務(wù)監(jiān)視、應(yīng)急通信、中繼通信、雷達(dá)探測(cè)、城市及鄉(xiāng)村觀測(cè)、科學(xué)考察等廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，系留氣球平臺(tái)已初露崢嶸，未來可期。
（作者：何澤青、喬濤、陳其，分別系中科院空天院高級(jí)工程師，高級(jí)工程師，研究實(shí)習(xí)員）
標(biāo)簽： 青藏高原綜合科考 科學(xué)觀測(cè)
